Способ автоматического регулирования совмещенной тепловой нагрузки

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к теплоснабжению, и может быть использовано в открытых системах теплоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий при зависимой схеме присоединения к тепловой сети. Технический результат: обеспечение в пределах теплоаккумулирующей способности заграждений отапливаемого здания законченного цикла компенсации тепловых потерь при изменении температуры наружного воздуха не дожидаясь изменений теплового режима работы теплосети, а также повышение эффективности регулирования благодаря поддержанию постоянного суммарного расхода теплоносителя в системе теплоснабжения, что приводит к обеспечению расчетного (при необходимости требуемого) теплопотребления объекта и к снижению расхода высокотемпературного теплоносителя до 20-30%. Способ автоматического регулирования совмещенной тепловой нагрузки теплового пункта открытой системы теплоснабжения с зависимым присоединением стояков циркуляционного контура системы горячего водоснабжения, отопительной вентиляции и водо-водяным элеватором системы отопления, оборудованного преимущественно коммерческим узлом учета тепловой энергии, включающий поддержание в пределах значений, обусловленных фактическим режимом работы системы централизованного теплоснабжения, нормативной температуры воды на горячее водоснабжение и требуемой температуры воздуха в отапливаемых помещениях. По абсолютной текущей температуре наружного воздуха изменяют количество теплоты, поступающей в систему отопления и в водоразборные стояки горячего водоснабжения и максимально приближают выполнение отопительного графика на выходе из системы теплоснабжения при неконтролируемом увеличении расхода горячей воды на хозяйственно-бытовые нужды и изменяющейся нагрузке отопительной вентиляции. Также описано устройство для автоматического регулирования совмещенной тепловой нагрузки. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

 

Изобретение относится к теплоэнергетике, а именно к теплоснабжению, и может быть использовано в открытых системах теплоснабжения жилых, общественных и промышленных зданий при зависимой схеме присоединения к тепловой сети.

На тепловых пунктах (подстанциях) обычно производится регулирование двух видов тепловой нагрузки: горячего водоснабжения и отопления. Для обоих видов тепловой нагрузки система автоматического регулирования должна поддерживать неизменными заданные температуры: воды на горячее водоснабжение и воздуха в отапливаемых помещениях. Как объекты автоматического регулирования эти виды тепловой нагрузки существенно различаются инерционностью (от десятков секунд на нагрев воды до десятков часов на нагрев воздуха). Стабилизировать температуру воздуха в отапливаемых помещениях значительно сложнее, чем стабилизировать температуру воды в системе горячего водоснабжения.

Стабилизация температуры воздуха в отапливаемых помещениях обеспечивается равенством между поступающим расходом тепла из системы теплоснабжения и потерями тепла через ограждения здания. Отопительная вентиляция, как правило, является частью системы отопления, позволяющей компенсировать недоотпуск тепла от отопительных приборов конвективно-излучающего действия.

Способы и устройства регулирования тепловой нагрузки должны учитывать следующие условия работы систем централизованного теплоснабжения:

а) регулирование температуры воды на котельных и ТЭЦ осуществляется не по текущей наружной температуре, а по средней температуре воздуха за длительный период с учетом прогноза и располагаемой мощности оборудования;

б) транспортное запаздывание доставки теплоносителя от котельных и ТЭЦ к удаленному абоненту, измеряемое часами, также приводит к несоответствию температуры сетевой воды текущей наружной температуре;

в) нагрузка горячего водоснабжения оказывает существенное влияние на режимы работы отопительных систем, приводя к переменным в течение суток температурам воды в системе отопления и расходам сетевой воды на систему (см. Зингер Н.М. и др. «Повышение эффективности работы тепловых пунктов». М.: Стройиздат, 1990, стр.53).

Так как в открытых системах теплоснабжения регуляторы расхода перед системой отопления не устанавливают, то водоразбор на нужды горячего водоснабжения приводит к изменению расхода воды в системе отопления. Компенсация недоотпуска теплоты производится соответствующим температурным графиком, учитывающим указанные изменения расхода воды на систему отопления (см. Зингер Н.М. и др. «Повышение эффективности работы тепловых пунктов». М.: Стройиздат, 1990, стр.19).

Подавляющее большинство зданий присоединены и продолжает присоединяться к тепловым сетям по зависимой схеме с водо-водяным элеватором. Преимуществами этой схемы является низкая стоимость и высокая степень надежности. Элеватор как смесительное устройство обеспечивает практически постоянный коэффициент смешения при колебаниях перепада давлений перед ним (см. Громов Н.К. «Абонентские устройства водяных тепловых сетей». М.: Энергия, 1979, стр.71).

В схемах присоединения, когда разность пьезометрических напоров перед элеватором больше 5 м вод. ст., но недостаточна для его устойчивой работы, рекомендуется применять параллельную работу водо-водяного элеватора и насоса смешения, установленного на перемычке между подающим и обратным трубопроводами. Такая схема присоединения создает возможность применения более экономичных технологических схем автоматизации. Регулирование отпуска тепла в данном случае возможно путем регулирования количества сетевой воды, поступающей из тепловой сети, с учетом, как погодных факторов, так и тепловых характеристик самого здания (см. Громов Н.К. «Абонентские устройства водяных тепловых сетей». М.: Энергия, 1979, стр.82).

Известны способ и устройство регулирования по изобретению №2151345, где система горячего водоснабжения присоединена через регулятор температуры и с центробежным насосом в циркуляционном контуре.

Неконтролируемым возмущением здесь остается мгновенный максимальный расход сетевой воды на нужды горячего водоснабжения. Регулятор температуры не исключает вероятность перетока сетевой воды из высокотемпературной зоны в низкотемпературную зону.

Необходимость ограничения суммарного расхода сетевой воды G1 до определенной максимальной величины значительно сужает возможности данного способа регулирования, так как нагрузка горячего водоснабжения практически не ограничивается.

Способ регулирования расхода сетевой воды в системе отопления по температуре наружного воздуха позволяет избежать неконтролируемых возмущений температуры сетевой воды на диапазоне, когда наружная температура меньше величины, определяющей температурный график. Функции регулирования отпуска теплоты на данном диапазоне осуществляются котельной или ТЭЦ, а система автоматического регулирования стабилизирует расход воды. На диапазоне, когда наружная температура больше величины, определяющей температурный график, схема переходит от режима стабилизации к режиму отслеживания. В качестве отслеживаемого параметра могут быть приняты три сигнала: по температуре T₁, разности температур T₁-Т₂ или расход сетевой воды G2, обеспечивающий требуемую внутреннюю температуру. Возмущения, связанные с изменением температуры сетевой воды T1, являются неконтролируемыми и поэтому не отражаются на системе регулирования. Возмущения, связанные с изменением расхода сетевой воды, вызванные нагрузкой горячего водоснабжения или изменением располагаемого напора, устраняются системой регулирования, поддерживая заданный расход воды G2 независимо от ее температуры.

Новым в предложенном способе является то, что регулирование по возмущающему фактору (метеоусловия) осуществляют, считывая текущее теплопотребление объекта и сравнивая его с расчетным значением отопительной нагрузки при абсолютной текущей температуре наружного воздуха, после чего дают команду на регулирующий орган управления. Так как увеличение расхода воды на нужды горячего водоснабжения свыше Gг.в^cp при любом значении текущей температуры наружного воздуха вызовет рост мгновенного расхода потребляемого тепла, то весь период водоразбора система регулирования поддерживает максимальный гидравлический режим с сохранением как расчетного расхода сетевой воды на отопление с максимальным приближением к выполнению отопительного температурного графика, так и нормативную температуру в водоразборных стояках системы горячего водоснабжения за счет увеличения количества подмешиваемой воды из обратного трубопровода.

Предложенный способ регулирования совмещенной тепловой нагрузки обеспечивается регулирующим органом, которым является регулируемый привод двигателя подмешивающего центробежного насоса, поддерживающий требуемую частоту вращения.

Обеспечение частотным преобразователем требуемой частоты вращения двигателя подмешивающего насоса с учетом воздействия неконтролируемых возмущений позволяет переводить систему управления в режим отслеживания и стабилизации, при этом обеспечивается гидравлическая устойчивость как местной системы, так и теплосети в целом.

В основу данного способа регулирования заложен приоритет сохранения и улучшения гидравлической устойчивости теплосети при комбинированном присоединении открытых и закрытых систем теплоснабжения.

Максимальная величина суммарного расхода сетевой воды G1 в данном случае не ограничивается, она определена с учетом среднечасовой нагрузки горячего водоснабжения и отопительной нагрузки (включая отопительную вентиляцию) при наладке гидравлического режима работы теплосети до включения в работу системы автоматического регулирования, которая работает только на поддержание и снижение расхода сетевой воды из теплосети.

Предлагаемый способ регулирования при осуществлении центрального качественного регулирования тепловой нагрузки на котельной и ТЭЦ обеспечивает выполнение температурного графика с ощутимым уменьшением расхода теплоносителя, решает задачу и надежности, и экономичности.

Поставленная задача решается тем, что регулируемым приводом подмешивающего насоса осуществляют подачу сетевой воды в систему отопления и горячего водоснабжения после подмешивания теплоносителя G_рец из обратного трубопровода. Это позволяет практически мгновенно снизить температуру Т₃ в водоразборном стояке до санитарной нормы, а температуру Т₄ на входе в систему отопления приблизить к нормативной по отопительному графику.

Реализация данного способа регулирования обеспечивает повышение эффективности регулирования тепловой нагрузки благодаря поддержанию расчетного теплопотребления объекта за счет существенного (до 30%) снижения расхода высокотемпературного теплоносителя.

Предложенный способ регулирования обеспечивает поддержание нормативной температуры горячей воды в водоразборном трубопроводе на уровне требований СНиП без дополнительных регулирующих устройств.

Применение для осуществления данного способа регулирования электронного оборудования не является препятствием для внедрения данного изобретения, так как при ее отказе система теплоснабжения возвращается в исходное состояние без изменения гидравлической характеристики сети.

Для осуществления указанного способа регулирования на перемычке между подающим и обратным трубопроводом до водо-водяного элеватора монтируют смесительный трубопровод и устанавливают оборудованный регулируемым приводом подмешивающий центробежный насос. Смесительный трубопровод оборудуют пружинным обратным клапаном для отсечки высокотемпературной зоны сети при отключении системы регулирования. Вентиль подачи сетевой воды в систему отопительной вентиляции устанавливают на расстоянии не менее 6-и диаметров подающего трубопровода до места врезки по ходу теплоносителя смесительного трубопровода. Вентиль обратной сетевой воды из системы отопительной вентиляции устанавливают на расстоянии не менее 6-и диаметров обратного трубопровода до места врезки по ходу теплоносителя циркуляционного трубопровода системы горячего водоснабжения.

Анализ научно-технической и патентной информации показывает отсутствие совпадения отличительных признаков заявленного способа с признаками известных технических решений.

Предлагаемые технические решения имеют существенные признаки, которые в совокупности влияют на достигаемый результат, а именно экономичность, доступность приобретения бесшумных насосов и частотных преобразователей, окупаемость в пределах одного отопительного сезона.

Предлагаемое решение представлено на принципиальной технологической схеме (Фиг.1).

Система автоматического регулирования совмещенной тепловой нагрузки теплового пункта включает в себя датчик температуры наружного воздуха, частотный преобразователь с логическим устройством, подающий 1 и обратный 2 трубопровод сетевой воды, водоразборный 3 и циркуляционный 4 трубопровод системы горячего водоснабжения, водо-водяной элеватор системы отопления 5. Между подающим и обратным трубопроводом монтируют смесительный трубопровод с подмешивающим насосом 6 и пружинным обратным клапаном 7. Для демонтажа насоса и обратного клапана установлены два шаровых крана 8. Тепловой пункт оборудован преобразователями расхода сетевой воды 9 на подающем и обратном трубопроводе и тепловычислителем. На выходе циркуляционного трубопровода установлен обратный клапан 7 для исключения отбора низкотемпературного теплоносителя из обратного трубопровода.

Способ регулирования осуществляют следующим образом:

а) система отопительной вентиляции настраивается на пропуск расчетного расхода теплоносителя, допуская превышение температуры обратной сетевой воды на выходе из системы вентиляционных теплоиспользующих установок значению температуры по отопительному графику в интервале температур наружного воздуха до расчетной температуры для вентиляции;

б) водо-водяной элеватор системы отопления настраивается на гашение избыточного напора, создаваемого сетевыми насосами теплосети в месте присоединения теплового пункта (тепловой подстанции), и на пропуск в систему отопления расчетного расхода теплоносителя, определенного по отопительной нагрузке;

в) циркуляционный контур системы горячего водоснабжения настраивается на пропуск среднечасового расхода Gг.в^cp потребляемой горячей воды из системы (см. Апарцев М.М. «Наладка водяных систем централизованного теплоснабжения». М.: Энергоатомиздат, 1983, стр.13-23).

В открытых системах теплоснабжения в начале отопительного сезона температура сетевой воды в подающем трубопроводе составляет 70-75°С. Поэтому сокращение высокотемпературного теплоносителя не приведет к снижению температуры горячей воды в водоразборном трубопроводе ниже санитарной нормы (55-60°С). Предлагаемое решение наиболее эффективным путем обеспечивает удовлетворение нагрузки горячего водоснабжения без дополнительного расхода сетевой воды G1 по сравнению с расчетным расходом воды на отопление Gот.

Обеспечивают поступление сигналов с тепловычислителя и датчика температуры наружного воздуха Т_н.в на логическое устройство управления частотным преобразователем электродвигателя центробежного насоса (Фиг.2). По обусловленным значению Т_н.в соответствующим тепловым потерям через ограждения отапливаемого здания изменяют частоту вращения подмешивающего насоса и поддерживают гидравлические и тепловые параметры теплоносителя, обеспечивающие требуемое значение теплопотребления при фактической текущей температуре наружного воздуха.

Система автоматического регулирования в режиме отслеживания и стабилизации сохраняет на входе определенный «гидравлический запас» для устойчивой работы водо-водяного элеватора и обеспечивает независимо от количества подаваемой воды из теплосети постоянный расход циркулирующей воды в системе отопления.

При данном способе регулирования тепловая нагрузка циркуляционного контура системы горячего водоснабжения и отопительная нагрузка теплоиспользующих установок отопительной вентиляции и нагревательных приборов полностью увязываются, что исключает не только перерасход высокотемпературного теплоносителя, но и наблюдаемое повышение температуры обратной сетевой воды в ночной период, приводящее к дополнительным тепловым потерям.

Система автоматического регулирования с применением частотного преобразователя выполняет следующие функции:

1) поддерживает в автоматическом режиме технологические параметры объекта на заданном уровне;

2) регулирует частоту вращения насоса;

3) позволяет вводить задания от оператора.

Вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного способа и устройства его реализации следующей совокупности условий:

1) средство, воплощающее заявленный способ и устройство, предназначено для использования в промышленности в области теплоэнергетики;

2) для заявленного способа и устройства в том виде, как оно охарактеризовано в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления с помощью описанных в заявке или известных до даты приоритета средств и методов;

3) система теплоснабжения, воплощающая заявленное изобретение, при его осуществлении способна обеспечить достижение искомого технического результата.

Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «промышленная применимость».

1. Способ автоматического регулирования совмещенной тепловой нагрузки теплового пункта открытой системы теплоснабжения с зависимым присоединением стояков циркуляционного контура системы горячего водоснабжения, отопительной вентиляции и водо-водяным элеватором системы отопления, оборудованного преимущественно коммерческим узлом учета тепловой энергии, включающий поддержание в пределах значений, обусловленных фактическим режимом работы системы централизованного теплоснабжения, нормативной температуры воды на горячее водоснабжение и требуемой температуры воздуха в отапливаемых помещениях, отличающийся тем, что изменяют по абсолютной текущей температуре наружного воздуха количество теплоты, поступающей в систему отопления и в водоразборные стояки горячего водоснабжения, и максимально приближают выполнение отопительного графика на выходе из системы теплоснабжения при неконтролируемом увеличении расхода горячей воды на хозяйственно-бытовые нужды и изменяющейся нагрузке отопительной вентиляции.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что поддержание расчетного теплопотребления осуществляют изменением частоты вращения электродвигателя подмешивающего насоса и используют тепловую энергию обратной сетевой воды на выходе из системы отопления, горячего водоснабжения и отопительной вентиляции.

3. Устройство для автоматического регулирования совмещенной тепловой нагрузки, используемое в способе по любому из пп.1 и 2, характеризующееся тем, что содержит размещенный между подающим и обратным трубопроводами сетевой воды смесительный трубопровод, на котором установлены оборудованный регулируемым приводом подмешивающий центробежный насос и пружинный обратный клапан, причем вентиль подачи сетевой воды в систему отопительной вентиляции устанавливают на расстоянии не менее 6-ти диаметров подающего трубопровода до места врезки по ходу теплоносителя смесительного трубопровода.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что вентиль обратной сетевой воды из системы отопительной вентиляции устанавливают на расстоянии не менее 6-ти диаметров обратного трубопровода до места врезки по ходу теплоносителя циркуляционного трубопровода системы горячего водоснабжения.